CZ20022774A3

CZ20022774A3 - Železniční kolo s vyrovnaným napěťovým polem

Info

Publication number: CZ20022774A3
Application number: CZ20022774A
Authority: CZ
Inventors: Jaromír Ing. Pavčo; Radim Ing. Zima; Vladimír Ing. Vampola
Original assignee: Bonatrans A.S.
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2004-01-14
Also published as: EP1389539B1; ES2307874T3; PT1389539E; DE60321515D1; CZ293054B6; EP1389539A1; ATE398028T1

Description

Oblast techniky

VWkz

-Řešení se týká konstrukce železničního kola, zejména jeho desky spojující věnec kola s jeho nábojem, přičemž tvar desky kola je optimalizován tak, aby rozměry a hmotnost kola vyhovovaly mechanickému a tepelnému namáhání kola při jeho provozu.

Dosavadní stav techniky

Železniční kola se skládají ze tří hlavních části, a to z věnce, z náboje a z desky kola, která zajišťuje přechod mezi věncem kola a jeho nábojem. Známá kola mají mnoho různých tvarů desky kola, většinou se však používají odlehčená kola s prohnutými a tvarovanými deskami, přičemž tvar desky kola má zásadní vliv na odolnost kola proti mechanickému a tepelnému zatížení. Namáhání kol při jejich provozuje koncentrováno jen do určitých oblastí konstrukce kola a proto existující kola jsou kombinací různých tvarů zejména desky kola a přechodových oblastí mezi nábojem kola a jeho věncem.

Významnou optimalizaci tvaru desky kola představuje například řešení dle patentu DE 44 44 077, kde jsou obě, to je vnější i vnitřní, strany desky kola tvořeny geometricky souměrnými přímkami, které se protínají v přechodové oblasti mezi deskou kola a jeho věncem. Nevýhodou tohoto řešení je zejména složitá montáž příslušenství k desce kola a omezená možnost další optimalizace tloušťky desky kola a tím i celkové hmotnosti kola.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje železniční kolo s vyrovnaným napěťovým polem, kterým prochází teoretická vnitřní rovina kolmá na osu otáčení kola a které sestává z věnce kola tvořeného jízdní plochou a okolkem, z desky kola, která má v příčném řezu svoji první boční stranu tvořenu první přímkou kolmou na osu otáčení kola, z náboje kola a z přechodových oblastí mezi deskou kola a věncem kola a mezi deskou kola a

-2'ped^Jl ΊτΛθ4υ ii aů.

nábojem kola, které mají v příčném řezu na obou svých stranách tvar oblouků,'•jehož podstata spočívá v tom, že rovina prochází bodem, který je místem počátku přechodu druhé boční strany desky kola do přechodové oblasti mezi deskou kola a věncem kola a její vzdálenost od vnitřní hrany věnce kola je rovna 0,4 až 0,65 násobku šířky věnce kola, přičemž druhá boční strana desky kola je mezi přechodovými oblastmi tvořena jednak druhou přímkou procházející bodem, který je místem počátku přechodu desky kola do přechodové oblasti mezi deskou kola a nábojem kola a jednak nejméně jednou další přímkou a/nebo obloukem a kde první a druhá přímka se protínají v bodě nacházejícím se na první boční straně desky kola.

Jako výhodná se doporučuje konstrukce desky kola tak, že první boční strana desky kola je tvořena jednak první přímkou kolmou na osu otáčení kola a jednak druhou přímkou v úseku mezi bodem, ve kterém se protínají první a druhá přímka a bodem, který je místem počátku přechodu desky kola do přechodové oblasti mezi deskou kola a věncem kola.

Z výrobně technologického hlediska je vhodné, když je deska kola na obou svých bočních stranách v místě přechodů mezi jednotlivými přímými úseky tvořena oblouky.

Jako výhodná se rovněž doporučuje konstrukce druhé boční strany desky kola tak, že oblouk je tečně napojen na druhou přímku a současně na rovinu a/nebo na úsek tvořený dvěma body, z nichž první bod je umístěn na druhé přímce mezi bodem, který je místem počátku přechodu desky kola do přechodové oblasti mezi deskou kola a nábojem kola a průsečíkem druhé přímky s rovinou a kde druhý bod je umístěn v rovině v úseku od průsečíku roviny s druhou přímkou do bodu, který se nachází na rovině ve vzdálenosti od osy otáčení kola, která je shodná se vzdáleností bodu, ve kterém se protínají první a druhá přímka, od osy otáčení kola. Pro optimalizaci tvaru desky kola je výhodné, když vzdálenost první přímky od roviny kola je upravena v rozmezí od 0,05 do 0,15 násobku šířky věnce kola.

Výhodou rovněž je, má-li bod, kterým prochází druhá přímka a který je počátkem přechodu desky kola do přechodové oblasti mezi deskou kola a nábojem kola od první přímky vzdálenost upravenu v rozmezí od 0,2 do 0,45 násobku šířky kola a od osy otáčení kola vzdálenost v rozmezí od 0,35 do 0,45 násobku vnějšího poloměru kola.

Bod, ve kterém se protínají na první boční straně desky kola první a druhá přímka, má od osy otáčení kola s výhodou vzdálenost upravenu v rozmezí od 0,65 do 0,85 násobku vnějšího poloměru kola.

Výhodou tohoto železničního kola je, že tvar desky kola snižuje napětí v kritických místech kola tím, že napětí se rozkládá do většího objemu konstrukce kola a neexistují v něm proto vysoké gradienty nebo špičky napětí. To umožňuje dimenzovat desku kola s menšími

-3rozměry a výrazně tak omezit hmotnost kola. Podle potřeby lze konstrukci navrhovat a optimalizovat z pohledu jednotlivých geometrických rozměrů metodou konečných prvků tak, že rovinná plocha desky kola může být jak z vnitřní, tak i z vnější strany kola a napjatostní stav z pohledu velikosti a rozložení napětí přitom zůstává podobný.

Výhodou tohoto řešení je rovněž skutečnost, že deska kola je z jedné své strany tvořena rovinnou plochou kolmou k ose otáčení kola, což umožňuje jednodušší montáž příslušenství, jako například tlumiče hluku a kmitů nebo brzdové kotouče, k desce kola.

Přehled obrázků na výkresech

Na obrázcích 1, 2, 3 a 4 jsou ve svém příčném řezu znázorněny některé z možných příkladů provedení železničního kola.

Příklad provedení

Příklad 1

Železniční kolo, podle obrázku 1, má vnější poloměr R1 a sestává z věnce i kola s jízdní plochou 2 a okolkem 3, z desky 4 kola, náboje 5 kola, přechodové oblasti 6 desky 4 kola do věnce I kola a přechodové oblasti 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. Věnec I kola je ohraničen vnější hranou 8, vnitřní hranou 9 a má šířku Hl. Samotnou desku 4 kola vymezují na první boční straně body L,J a na druhé boční straně body F,K. Železničním kolem prochází v bodě K rovina Pl, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost H2 od vnitřní hrany 9 věnce I kola je rovna 0,4 až 0,65 násobku šířky H1 věnce I kola. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 je na své první boční straně kola tvořen první přímkou P2, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost T2 od roviny PI je rovna 0,05 až 0,15 násobku šířky H1 věnce I kola. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 na druhé boční straně kola je tvořen jednak obloukem K1 o poloměru R4 a jednak druhou přímkou P3 procházející bodem F, který je místem počátku přechodu desky 4 kola do náboje 5 kola, má od první přímky P2 vzdálenost T3 rovnou 0,2 až 0,45 násobku šířky H1 věnce 1 kola a zároveň má od osy Z otáčení kola vzdálenost R3 v rozmezí od 0,35 do 0,45 násobku vnějšího poloměru R1 kola. První přímka P2 a druhá přímka P3 se protínají na první boční straně

-4desky 4 kola v bodě D, který má od osy Z otáčení kola vzdálenost R2 v rozmezí od 0,65 do 0,85 násobku vnějšího poloměru RI kola. Oblouk K1 na druhé boční straně desky 4 kola je tečně napojen na rovinu PÍ a současně na druhou přímku P3 a na úsek tvořený úsečkou ohraničenou body H a I, z nichž bod H se nachází na druhé přímce P3 a rozděluje na polovinu vzdálenost H3 mezi bodem F a mezi průsečíkem G druhé přímky P3 s rovinou PÍ a kde bod I se nachází v rovině PÍ a rozděluje na polovinu vzdálenost H4 mezi průsečíkem G a bodem B, který se nachází rovněž v rovině PÍ ve vzdálenosti R2 od osy Z otáčení kola, která je shodná jako vzdálenost R2 bodu D od této osy Z otáčení. Přechodová oblast 6 desky 4 kola do věnce 1 kola je tvořena obloukem K2, který je tečně napojen na oblouk K1 v bodě K a obloukem K3, který je tečně napojen na první přímku P2 v bodě J. Přechodová oblast 7 desky 4 kola do náboje 5 kola je tvořena obloukem K4, který je tečně napojen na druhou přímku P3 v bodě F a obloukem K5, který je tečně napojen na první přímku P2 v bodě L.

Příklad 2

Železniční kolo, podle obrázku 2, má vnější poloměr RI a sestává z věnce i kola s jízdní plochou 2 a okolkem 3, z desky 4 kola, náboje 5 kola, přechodové oblasti 6 desky 4 kola do věnce i kola a přechodové oblasti 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. Věnec I kola je ohraničen vnější hranou 8, vnitřní hranou 9 a má šířku H1. Samotnou desku 4 kola vymezují na první boční straně body L,J a na druhé boční straně body F,K. Železničním kolem prochází v bodě K rovina Pl, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost H2 od vnitřní hrany 9 věnce i kola je rovna 0,4 až 0,65 násobku šířky H1 věnce 1 kola. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 je na první boční straně kola tvořen první přímkou P2, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost T2 od roviny Pije rovna 0,05 až 0,15 násobku celkové šířky H1 věnce i kola. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 na druhé boční straně kola je tvořen jednak obloukem K1 o poloměru R4 a jednak druhou přímkou P3 procházející bodem F, který je místem počátku přechodu desky 4 kola do náboje 5 kola, má od první přímky P2 vzdálenost T3 rovnou 0,2 až 0,45 násobku šířky H1 věnce i kola a zároveň má od osy Z otáčení kola vzdálenost R3 v rozmezí od 0,35 do 0,45 násobku vnějšího poloměru RI kola. První přímka P2 a druhá přímka P3 se protínají na první boční straně desky 4 kola v bodě D, který má od osy Z otáčení kola vzdálenost R2 v rozmezí od 0,65 do 0,85 násobku vnějšího poloměru RI kola. Oblouk K1 na druhé boční straně desky 4 kola je tečně napojen na druhou přímku P3 a současně na rovinu Pl a na úsek tvořený úsečkou ohraničenou body H a I, z nichž bod H se nachází na druhé přímce P3 mezi bodem F

-5a průsečíkem G druhé přímky P3 s rovinou Pl a kde bod I se nachází v rovině Pl mezi průsečíkem G a bodem B, který se nachází rovněž v rovině Pl ve vzdálenosti R2 od osy Z otáčení kola, která je shodná jako vzdálenost R2 bodu D od této osy Z otáčení. Vzdálenost H3 představuje délku úsečky mezi body F a G a vzdálenost H4 pak délku úsečky mezi body G a B. Přechodová oblast 6 desky 4 kola do věnce 1 kola je tvořena obloukem K2, který je tečně napojen na oblouk K1 v bodě K a obloukem K3, který je tečně napojen na první přímku P2 v bodě J. Přechodová oblast 7 desky 4 kola do náboje 5 kola je tvořena obloukem K4, který je tečně napojen na druhou přímku P3 v bodě F a obloukem K5, který je tečně napojen na první přímku P2 v bodě L.

Příklad 3

Železniční kolo, podle obrázku 3, má vnější poloměr R1 a sestává z věnce 1 kola s jízdní plochou 2 a okolkem 3, z desky 4 kola, náboje 5 kola, přechodové oblasti 6 desky 4 kola do věnce 1 kola a přechodové oblasti 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. Věnec 1 kola je ohraničen vnější hranou 8, vnitřní hranou 9 a má šířku H1. Samotnou desku 4 kola vymezují na první boční straně body L,J a na druhé boční straně body F,K· Železničním kolem prochází v bodě K rovina Pl, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost H2 od vnitřní hrany 9 věnce I kola je rovna 0,4 až 0,65 násobku šířky H1 věnce i kola. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 je na první boční straně kola tvořen první přímkou P2, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost T2 od roviny Pije rovna 0,05 až 0,15 násobku šířky H1 věnce i kola a dále druhou přímkou P3 v úseku DJ. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 je na své druhé boční straně tvořen jednak dvěm/ přímými úseky HB a BK a jednak druhou přímkou P3 procházející bodem F, který je místem počátku přechodu desky 4 kola do náboje i kola, má od první přímky P2 vzdálenost T3 rovnou 0,2 až 0,45 násobku šířky H1 věnce i kola a zároveň má od osy Z otáčení kola vzdálenost R3 v rozmezí od 0,35 do 0,45 násobku vnějšího poloměru R1 kola. První přímka P2 a druhá přímka P3 se protínají na první boční straně desky 4 kola v bodě D, který má od osy Z otáčení kola vzdálenost R2 v rozmezí od 0,65 do 0,85 násobku vnějšího poloměru R1 kola. Druhá přímka P3 tak tvoří část obou stran desky 4 kola, a to v úsecích FH a DJ. Bod B se přitom nachází v rovině Pl mezi bodem K a průsečíkem G druhé přímky P3 s rovinou Pl ve vzdálenosti R2 od osy Z otáčení kola, která je shodná jako vzdálenost R2 bodu D od této osy Z otáčení. Na druhé přímce P3 mezi bodem F a mezi průsečíkem G druhé přímky P3 s rovinou Pl se nachází bod H a vzdálenost H3 představuje délku úsečky mezi body F a G. Přechodová oblast

-66 desky 4 kola do věnce 1 kola je tvořena obloukem K2, který je tečně napojen na přímý úsek BK v bodě K a obloukem K3, který je tečně napojen na druhou přímku P3 v bodě J. Přechodová oblast 7 desky 4 kola do náboje 5 kola je tvořena obloukem K4, který je tečně napojen na druhou přímku P3 v bode F a obloukem K5, který je tečně napojen na první přímku P2 v bodě L.

Příklad 4

Železniční kolo, podle obrázku 4, má vnější poloměr R1 a sestává z věnce 1 kola s jízdní plochou 2 a okolkem 3, z desky 4 kola, náboje 5 kola, přechodové oblasti 6 desky 4 kola do věnce 1 kola a přechodové oblasti 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. Věnec 1 kola je ohraničen vnější hranou 8, vnitřní hranou 9 a má šířku HI. Samotnou desku 4 kola vymezují na první boční straně body L,J a na druhé boční straně body F,K. Železničním kolem prochází v bodě K rovina Pl, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost H2 od vnitřní hrany 9 věnce 1 kola je rovna 0,4 až 0,65 násobku šířky HI věnce 1 kola. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 je na první boční straně kola tvořen první přímkou P2, která je kolmá k ose Z otáčení kola a její vzdálenost T2 od roviny Pije rovna 0,05 až 0,15 násobku šířky HI věnce i kola a dále druhou přímkou P3 v úseku DJ. Příčný profil desky 4 kola mezi přechodovými oblastmi 6 a 7 na druhé boční straně kola je tvořen jednak dvěma přímými úseky HB a BK a jednak druhou přímkou P3 procházející bodem F, který je místem počátku přechodu desky 4 kola do náboje 5 kola, má od první přímky P2 vzdálenost T3 rovnou 0,2 až 0,45 násobku šířky HI věnce 1 kola a zároveň má od osy Z otáčení kola vzdálenost R3 v rozmezí od 0,35 do 0,45 násobku vnějšího poloměru R1 kola. První přímka P2 a druhá přímka P3 se protínají na druhé boční straně desky 4 kola v bodě D, který má od osy Z otáčení kola vzdálenost R2 v rozmezí od 0,65 do 0,85 násobku vnějšího poloměru R1 kola. Druhá přímka P3 tak tvoří část desky 4 kola na obou jejich bočních stranách. Bod H se přitom nachází na druhé přímce P3 mezi bodem F a mezi průsečíkem G druhé přímky P3 s rovinou Pl a bod B se nachází v rovině Pl ve vzdálenosti R2 od osy Z otáčení kola, která je shodná jako vzdálenost R2 bodu D od této osy Z otáčení. Vzájemný přechod jednotlivých přímých úseků na obou bočních stranách desky 4 kola je tvořen oblouky K6, K7 a K8. Přechodová oblast 6 desky 4 kola do věnce i kola je tvořena obloukem K2, který je tečně napojen na přímý úsek BK v bodě K a obloukem K3, který je tečně napojen na druhou přímku P3 v bodě J. Přechodová oblast 7 desky 4 kola do náboje 5 kola je tvořena obloukem K4, který je tečně

-7 napojen na druhou přímku P3 v bodě F a obloukem K5, který je tečně napojen na první přímku P2 v bodě L.

Průmyslová využitelnost

Železniční kolo podle vynálezu lze využít pro všechny typy kolejových vozidel, to je u monobloků, složených kol i kol odpružených například pryží.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Železniční kolo s vyrovnaným napěťovým polem s teoretickou vnitřní rovinou (Pl), která je kolmá na osu (Z) otáčení kola, sestávající z věnce (1) kola tvořeného jízdní plochou (2) a okolkem (3), z desky (4) kola, která má v příčném řezu svoji první boční stranu tvořenu první přímkou (P2) kolmou na osu (Z) otáčení kola, z náboje (5) kola a z přechodových oblastí (6,7) mezi deskou (4) kola a věncem (1) kola a mezi deskou (4) kola a nábojem (5) kola, které mají v příčném řezu na obou svých stranách tvar oblouků, vyznačující se tím, že rovina (Pl) prochází bodem (K), který je místem počátku přechodu druhé boční strany desky (4) kola do přechodové oblasti (6) mezi deskou (4) kola a věncem (1) kola a její vzdálenost (H2) od vnitřní hrany (9) věnce (1) kola je rovna 0,4 až 0,65 násobku šířky (Hl) věnce (1) kola, přičemž druhá boční strana desky (4) kola je mezi přechodovými oblastmi (6,7) tvořena jednak druhou přímkou (P3) procházející bodem (F), který je místem počátku přechodu desky (4) kola do přechodové oblasti (7) mezi deskou (4) kola a nábojem (5) kola a jednak nejméně jednou další přímkou a/nebo obloukem (Kl), přičemž první a druhá přímka (P2, P3) se protínají v bodě (D) nacházejícím se na první boční straně desky (4) kola.
2. Železniční kolo podle nároku 1, vyznačující se tím, že první boční strana desky (4) kola je v úseku od bodu (D) do bodu (J), který je místem počátku přechodu desky (4) kola do cg přechodové oblasti (6) mezi deskou (4) kola a věncem (1) kola, tvořen druhou přímkou (P3).
3. Železniční kolo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že na obou bočních stranách q/ desky (4) kola jsou místa přechodů mezi jednotlivými přímými úseky tvořen/oblouky.
4. Železniční kolo podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že oblouk (Kl) je tečně napojen na druhou přímku (P3) a současně na rovinu (Pl) a/nebo na úsek tvořený dvěma body (H,I), z nichž první bod (H) je umístěn na druhé přímce (P3) mezi bodem (F) a průsečíkem (G) druhé přímky (P3) s rovinou (Pl) a kde druhý bod (I) je umístěn v rovině (Pl), v úseku od průsečíku (G) do bodu (B), který se nachází na rovině (Pl) ve

-9vzdálenosti (R2) od osy (Z) otáčení kola, která je shodná se vzdáleností (R2) bodu (D), ve kterém se protínají obě přímky (P2, P3), od osy (Z) otáčení kola.
5. Železniční kolo podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že první přímka (P2) je od roviny (Pl) upravena ve vzdálenosti (T2), která je rovna 0,05 až 0,15 násobku šířky (Hl) věnce (1) kola.
6. Železniční kolo podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že bod (F) je od první přímky (P2) upraven ve vzdálenosti (T3) v rozmezí od 0,2 do 0,45 násobku šířky (Hl) věnce (1) kola a od osy (Z) otáčení kola ve vzdálenosti (R3) v rozmezí od 0,35 do 0,45 násobku vnějšího poloměru (Rl) kola.
7. Železniční kolo podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že bod (D) je od osy (Z) otáčení kola upraven ve vzdálenosti (R2) v rozmezí od 0,65 do 0,85 násobku vnějšího poloměru (Rl) kola.